CRISPR/Cas是近几年来生物医学领域最火的技术之一，可控性和通过修改sgRNA靶点就能改变Cas9切割位点的便捷性使CRISPR/Cas的研究如火如荼，该技术的潜力不言而喻，但是脱靶效应的潜在危险和临床运送载体效果不佳制约着CRISPR/Cas的发展。

（图片来源于网络，仅供学习参考用）

 

近几年，研究人员已经通过改进Cas酶、优化sgRNA设计、预测靶向结果和对基因表达时空调控等手段很大程度上降低了脱靶效应，而优化运送Cas系统的载体仍然是一个重大挑战，最近郑州大学药学院张开翔教授团队发表了一篇名为“Biomimetic Mineralized CRISPR/Cas RNA Nanoparticles for Efficient Tumor-Specific Multiplex Gene Editing”的文章，有望解决体内多组分RNA递送的难点，为基于RNA的CRISPR/Cas9基因编辑提供了一种新策略。

 

Mg²⁺在RNA结构稳定中起主要作用，并通过参与RNA与核糖体的结合促进RNA翻译，Mg₂PPi（焦磷酸镁）是核酸合成过程中常见的副产物，利用焦磷酸酶可以有效溶解Mg₂PPi的特性，确保递送载体的RNA在细胞内的有效释放。以RNA为模板的Mg₂PPi晶体的成核和生长可以将Cas9 mRNA、sgSurvivin、sgPLK1和sgHPV以所需的化学量包埋在单个纳米颗粒（称为多基因编辑RNF）内，用PEI凝聚纳米颗粒，并涂以透明质酸（HA）。该Mg₂PPi仿生矿化一体化载体系统为基于RNA的多重基因编辑在体内的应用提供了一种潜在的策略。

 

该研究通过一系列实验得出以下结果：

 

1）当EGFP mRNA浓度为666ng/μL时，形成的仿生矿化纳米颗粒（890nm）相对较小，包封效率高（88.75%）；
2）透射电镜（TEM）显示，由EGFP mRNA合成的仿生矿化纳米颗粒大小分布均匀，并保留了清晰的花状结构；
3）元素图谱证实了EGFP RNF中存在C、N、O、Mg和P，这说明EGFP RNF可能由mRNA和Mg₂PPi组成，表明mRNA在颗粒内成功结合；
4）以RNA为模板的Mg₂PPi仿生矿化过程不会破坏Mg₂PPi的晶体结构，并且RNA被均匀地纳入晶体中；
5）琼脂糖凝胶电泳分析表明，焦磷酸酶能有效分解EGFP RNF，释放EGFP mRNA；
6）转染结果显示EGFP RNF在HeLa细胞中荧光明显，保留了表达蛋白质的能力；
7）仿生矿化RNA纳米颗粒具有优越的RNA装载和保存特性。比脂质纳米颗粒（LNP）高8-9倍的RNA负载能力，EGFP RNF在4°C下放置1个月或在-20°C下放置6个月后仍然保持形态稳定，在4℃下保存35天后表达能力没有下降；
8）仿生矿化RNA递送策略是通用并可扩展的；
9）EGFP mRNA NPs的转染效率高于EGFP mRNA@ PEI；

10）EGFP基因编辑（NPs）成功地将所有CRISPR/ Cas9 RNA组分传递到人类癌细胞系中，实现了EGFP的高效基因组编辑；

11）多基因编辑NPs不仅可以在三个位点自主进行基因编辑，而且在基因编辑后对HeLa细胞表现出良好的诱导凋亡作用；
12）多基因编辑NPs在体内实现了有效的多重基因组编辑。与对照组相比多基因编辑NPs治疗可显著抑制肿瘤生长，肿瘤体积减少78%，肿瘤重量减少4%，多基因编辑NPs后肿瘤组织细胞密度降低，凋亡显著增加；

13）仿生矿化RNA纳米颗粒可以在体内实现非肝脏部位的精确靶向，同时避免LNP在肝脏的拦截，在主要器官中检测到的基因破坏事件几乎可以忽略不计，静脉注射多基因编辑NPs后12小时，在肿瘤部位观察到最大信号；

14）多基因编辑NPs在不引起小鼠主要器官的基因破坏和病理改变的情况下实现了高效的多基因编辑，作为纳米载体具有较高的生物安全性。

 

单基因编辑不足以改变动物表型，实现复杂的生物学应用通常需要同时干扰多个基因位点，CRISPR同时靶向多个基因的能力是一个显著的优势，该研究创立的Mg₂PPi仿生矿化一体化载体系统是一种简单廉价的方法，不需要复杂的原材料或昂贵的设备，适合低成本批量生产和多种应用，为有效的mRNA递送提供了另一种解决方案，有望促进基于mRNA的治疗在体内的应用。

 

 

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参考文献

 

Biomimetic Mineralized CRISPR/Cas RNA Nanoparticles for Efficient Tumor-Specific Multiplex Gene Editing

Yan Liang, Jingge Zhang, Chenlu Xu, Jinjin Wang, Wenshuai Han, Jiali Yang, Sixuan Wu, Jingyi An, Junjie Liu, Zhenzhong Zhang, Jinjin Shi, and Kaixiang Zhang

ACS Nano Article ASAP

DOI: 10.1021/acsnano.3c04116

 

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